基于非圆信号和夹角可调阵的水下DOA估计装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于非圆信号和夹角可调阵的水下DOA估计装置，该估计装置在接收模块中采用夹角可调的二维线阵，这种阵列能够进行灵活测量，通过改变二维线阵之间的夹角进行多次测量，可以达到提升估计性能的目的。为了克服水声环境中信号衰减的问题，通过将非圆信号应用到水下DOA估计中，采用了基于非圆信号的NC‑ESPRIT算法，以提升估计性能；为了消除声速影响造成的估计偏差，采用声速无关的一维DOA估计表达式，从而提升了水下DOA估计精度。综上，本实用新型专利技术采用了夹角可调的二维均匀阵列，同时结合非圆信号的优点，并根据水下环境进行了声速无关的优化，估计精度高，具有较强的实用性。

Underwater DOA estimation device based on noncircular signal and angle adjustable array

【技术实现步骤摘要】
基于非圆信号和夹角可调阵的水下DOA估计装置
本技术涉及目标定位的
，具体涉及一种基于夹角可调二维线阵和非圆信号在未知声速环境进行的水下DOA估计装置。
技术介绍
阵列信号处理技术在众多领域已得到广泛应用，而阵列信号处理的基本问题之一是空间信号波达方向估计(DOA估计)。而水下DOA估计则是指在水面放置传感器阵列利用阵列信号处理技术来对水下目标物进行方位估计的方法。由于河流和海洋等水下环境复杂且不稳定，声波的速度随位置和时间而变化，水下DOA算法的估计精度受到很大影响。目前水下DOA估计方法普遍假定声速为已知的固定量，这将影响波程差的精度。当实际声速偏离预先设定速度，估计精度将因此降低。目前针对声速影响提出的解决方案并不多，且都是基于圆信号的波达方向估计。由于声波信号在水下环境传播时，水声信道中的各种障碍物及崎岖不平的海底造成的声波散射作用，会导致信号的急剧衰减。针对水下DOA估计的另一问题：信号衰减，需要提出更好的解决方法。非圆信号具有伪协方差矩阵不为零的特征，运用到信号估计中，相当于虚拟扩展阵列，能够显著的提高估计性能。同时非圆信号虚拟阵元的增加也使得算法可以处理多于阵列个数的信源个数，在复杂的水声环境中具有广阔的应用前景。而目前基于非圆信号的波达方向估计方法，多采用常规阵列结构。这类常规阵列结构固定，不易变动，对应的灵活性有所下降。
技术实现思路
本技术的目的是为了克服水声环境中声速影响和信号快速衰减的问题，提供一种基于非圆信号和夹角可调二维均匀线阵的水下去声速一维DOA估计装置。本技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种基于非圆信号和夹角可调阵的水下DOA估计装置，所述的估计装置包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块；所述的接收模块包括2个以均匀间距摆放的超声波探头阵列、步进电机和步进电机驱动电路，其中，2个以均匀间距摆放的超声波探头阵列分别为线阵1和线阵2，线阵1排布于坐标系x轴上保持固定，线阵2安装到步进电机上，由步进电机带动并以坐标轴原点在XOY平面上旋转，实现两线阵夹角调节；所述的数据处理与控制模块包括一对A/D、D/A转换器和一个处理器，分别与其他模块相连，控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；控制接收模块的夹角可调线阵，使线阵1保持固定，线阵2以连接点为中心分别在平面进行旋转，并转至设定值；同时能够对接收模块传过来的信号进行处理，计算出一维波达方向角，然后将结果传输至输出模块；所述的发射模块包括一个阻抗匹配电路和一个超声波发射探头，通过D/A转换器与处理器相连，并根据处理器发出的指令发射指定的信号；所述的输出模块包括一个USB接口和一个显示器，并且与数据处理与控制模块和电源模块相连，能够提供人机交互，将数据处理与控制模块中处理完毕的数据通过USB接口输出到外部装置或者在显示器上显示出来。进一步地，所述的线阵1和所述的步进电机的定子固定在一个支架上，所述的步进电机的转子连接所述的线阵2以控制线阵2在XOY平面的旋转，上述用于固定的支架采用塑料材质。进一步地，所述的电源模块由一个电源组成，并且与数据处理与控制模块、发射模块、接收模块和输出模块相连，为以上模块供电。本技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1、本技术基于非圆信号的NC-ESPRIT算法应用于一维水下波达方向估计，充分利用了信号的非圆特性，可以获得相当于阵列孔径扩展的效果，使得水下DOA估计结果更加精确。不仅如此，虚拟阵元的增加也使得本技术估计方法在相同阵元数的条件下能够估计更多的信源数。2、本技术与传统的采用固定L型直角阵列的方法相比，实现了二维线阵之间的夹角可变，通过取不同值进行多次测量，可以更好的消除误差，提高了估计结果的角度分辨力，侧向精度和抗模糊性，同时还使超声波接收探头的摆放具有很强的灵活性。3、与利用传统的水下一维DOA算法相比，本技术通过消除声速偏差使得估计的精确度更高，在未知声速环境进行DOA估计时更具优势。传统的DOA算法通常假定声速为一个常量，而在实际的复杂水下环境中，声速往往是不断变化的，如果把其当成一个常量来进行计算的话，会导致较大的误差。本技术采用夹角可以调节的二维均匀线阵，通过2个子阵列与波达方向角之间的角度关系消去了声速这个变量，使得最后的运算结果与声速无关，从而提高了估计精度。4、本技术装置在传统的测量装置上进行了改进，使用夹角可调的均匀线阵可行性强，安装简单。除此之外，现代处理器计算处理能力的不断提高，这使得本技术所使用的处理器等芯片的集成度高，并且计算能力强，从而保证了本技术的可行性。附图说明图1是本技术装置的硬件结构模块图；图2是线阵1和线阵2的接收阵元与处理器连接示意图；图3是接收模块连接示意图；图4是接收模块连接侧视图；图5是本技术所用的夹角可调二维均匀线阵在测量过程中的姿态示意图；图6是x轴均匀线阵的接收信号模型示意图；图7是本技术估计方法的流程图。具体实施方式为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。实施例一本实施例提出一种基于非圆信号和夹角可调均匀线阵的一维水下波达方向估计方法，通过分别对2个均匀子线阵的非圆接收信号进行处理，在DOA波达方向估计方法中消除声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响。同时由于非圆特性可以扩展阵列孔径，提高信源估计数，在实际测量中可以更好地消除误差。另外夹角可调的二维阵列能够进行灵活测量，通过改变二维线阵之间的夹角进行多次测量，可以达到提升估计性能的目的。如附图7所示，本实施例中基于非圆信号和夹角可调的二维线阵在未知声速环境进行水下一维DOA估计方法包括以下步骤：S1、建立二维夹角可调均匀线阵的阵列信号模型。放置如附图3所示的二维均匀线阵，分别设子线阵为线阵1和线阵2，其中线阵1排布于坐标系x轴上保持固定，线阵2排布于XOY平面，以坐标轴原点在XOY平面上旋转，与线阵1的夹角为Δy,0＜Δy≤π(夹角可调节)。线阵1有2M-1个接收阵元，线阵2有M个接收阵元，相邻阵元之间的平均间距为d。中心频率为f，非圆率为ρ,0＜ρ≤1的非圆信号作为发射信号，以坐标系原点为参考点，假设水下目标总个数为K，第k个目标的一维声波入射角度可表示为θk，θk∈[0,π],k＝1,2,…,K，线阵1和线阵2的接收数据矩阵，即非圆信号数据接收模型X和Y分别表示为：X＝AxS+Nx(1)Y＝AyS+Ny(2)其中，S是一个K×N维的源信号矩阵，另外Nx是(2M-1)×N维的噪声矩阵，Ny则是M×N维的噪声矩阵，最后Ax是由入射角θk表示的(2M-1)×K维导向向量矩阵，Ay则是由入射角θk表示的M×K维导向向量矩阵；同时信号满足窄带条件，即当信号延迟远小于带宽倒数时，延迟作用相当于使基带信号产生一个相移。信号的非圆特性有S＝ΦSR，其中SR为信源信号的实部，为信号的非本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非圆信号和夹角可调阵的水下DOA估计装置，其特征在于，所述的估计装置包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块；所述的接收模块包括2个以均匀间距摆放的超声波探头阵列、步进电机和步进电机驱动电路，其中，2个以均匀间距摆放的超声波探头阵列分别为线阵1和线阵2，线阵1排布于坐标系x轴上保持固定，线阵2安装到步进电机上，由步进电机带动并以坐标轴原点在XOY平面上旋转，实现两线阵夹角调节；所述的数据处理与控制模块包括一对A/D、D/A转换器和一个处理器，分别与其他模块相连，控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；控制接收模块的夹角可调线阵，使线阵1保持固定，线阵2以连接点为中心分别在平面进行旋转，并转至设定值；同时能够对接收模块传过来的信号进行处理，计算出一维波达方向角，然后将结果传输至输出模块；所述的发射模块包括一个阻抗匹配电路和一个超声波发射探头，通过D/A转换器与处理器相连，并根据处理器发出的指令发射指定的信号；所述的输出模块包括一个USB接口和一个显示器，并且与数据处理与控制模块和电源模块相连，能够提供人机交互，将数据处理与控制模块中处理完毕的数据通过USB接口输出到外部装置或者在显示器上显示出来。...

【技术特征摘要】
1.一种基于非圆信号和夹角可调阵的水下DOA估计装置，其特征在于，所述的估计装置包括数据处理与控制模块、发射模块、接收模块、输出模块和电源模块；所述的接收模块包括2个以均匀间距摆放的超声波探头阵列、步进电机和步进电机驱动电路，其中，2个以均匀间距摆放的超声波探头阵列分别为线阵1和线阵2，线阵1排布于坐标系x轴上保持固定，线阵2安装到步进电机上，由步进电机带动并以坐标轴原点在XOY平面上旋转，实现两线阵夹角调节；所述的数据处理与控制模块包括一对A/D、D/A转换器和一个处理器，分别与其他模块相连，控制发射模块，使发射模块发射指定的信号；控制接收模块的夹角可调线阵，使线阵1保持固定，线阵2以连接点为中心分别在平面进行旋转，并转至设定值；同时能够对接收模块传过来的信号进行处理，计算出一维波达方向角，然后将结果传输至输出模块；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，姜伸接，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44